[发明专利]一种基于电容变化获得逆挠曲电系数的测量装置及方法

说明书

一种基于电容变化获得逆挠曲电系数的测量装置及方法，包括基板，位于基板上的固定台，刚性连接于固定台上的挠曲电材料，附着于挠曲电材料弧面的驱动电极及端面的电容电极，与信号源电连接的高压电源，高压电源与驱动电极电连接；通过电容测量电路测量挠曲电材料端面间电容值变化；通过信号源向高压电源输送驱动信号使挠曲电材料受到电压作用，产生均匀电场梯度而产生形变致使端面间等效电容变化，通过电容变化量便可计算得到该挠曲电材料的逆挠曲电系数。

技术领域

本发明涉及材料科学中的力电耦合技术领域，具体涉及一种基于电容变化获得逆挠曲电系数的测量装置及方法。

背景技术

挠曲电效应是一种广泛存在于所有介电材料的力电耦合特性，具体是指由于应变梯度产生电极化、或由于电场梯度产生材料形变的行为。作为智能结构和智能材料的新兴研究点，挠曲电效应在航空航天、军事科学、生物制药等各个领域有广泛的潜在应用价值。逆挠曲电效应的研究目前还基本停留在理论阶段，研究逆挠曲电效应的主要内容之一就是逆挠曲电系数的研究，而逆挠曲电系数的测量由于其输出位移量级小，均匀电场梯度难以施加等问题的存在，一直是研究的重点和难点。

挠曲电存在于所有电介质中，其原理早在上世纪60年代就已被提出并在一定范围内得到了极大的发展，含压电效应的材料电极化的简化描述方程为：

其中P_i,e_ijk,σ_jk,ε_jk,μ_ijkl,x_l分别为极化程度、压电常数、应力、应变、挠曲电常数和梯度方向，等式右边第一项是因应力导致的压电效应，第二项是因应变梯度导致的梯度方向的挠曲电效应，由于在中心对称晶体中不存在压电效应，因此只有第二项存在，即

而对于逆挠曲电而言，则有

其中T_ij,f_ijkl和E_jk分别是等效应力、逆挠曲电系数和施加的电场。

由上述公式可以看出，在材料、试件等条件一定的情况下，分子对称晶体的等效应力与电场梯度成正比。因此，本发明采用了通过施加电压，使材料上产生电场梯度从而产生等效应力导致材料发生微小变形的方法，并对微小变形的测量采用差分式的电容变化测量方法，继而测量材料的逆挠曲电系数，放大了位移量，提高了实验的可行性和测量精度。

发明内容

为了填充相关实验领域的空白，本发明的目的在于提供一种基于电容变化获得逆挠曲电系数的测量装置及方法，本发明能够实现基于电容变化获得材料的逆挠曲电系数，弥补了现有技术的空白与不足。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于电容变化获得逆挠曲电系数的测量装置，包括基板1，位于基板上的左固定台2和右固定台3，分别与左固定台2和右固定台3刚性连接的材料与结构完全相同、相对放置的左挠曲电材料4和右挠曲电材料5，附着在左挠曲电材料4和右挠曲电材料5上下弧面上的驱动电极6，附着在左挠曲电材料4和右挠曲电材料5端面的电容电极7，控制电压驱动量的信号源8与高压电源9相电连接，高压电源9与驱动电极6相电连接；电容测量电路10与电容电极7相电连接。

所述带有导轨槽的基板1的刚度远大于左挠曲电材料4和右挠曲电材料5。

所述驱动电极6具有远低于左挠曲电材料4和右挠曲电材料5的刚度并具备良好的导电性。

所述左挠曲电材料4和右挠曲电材料5的结构为部分圆环状以保证施加电压时沿径向产生均匀电场梯度。

所述电容测量电路10测量精度能够满足电容变化要求；左挠曲电材料4和右挠曲电材料5的形变量通过电容变化信号表现。